4039
People Brain Project: Як ми знаємо, як працює мозок?
Херсон
На Хабрагабра на початку 2013 року після оголошення запуску європейського мега-проекту для вивчення головного мозку людини з бюджетом понад мільярдів євро, розрахованого на 10 років, опублікована відповідна замітка. Наприкінці минулого року проект був офіційно запущений, а перші кошти були виділені, але до теперішнього часу не одне слово було написано про те, що наукова основа для майбутнього титанічної роботи, порівняно з значенням і масштабом до декодування геном людини і мандатної місії до Марса.
У кінці повідомлення ви також можете звернутися до особи безпосередньо, що працює над проектом Blue Brain, відповіді на які будуть опубліковані в окремому місці.
Для передпокою
Так, весь мега-проект ділиться на 12 субпроектів, які, здається, реалізуються окремо – як змішувати високо-розвантажні обчислення з біологіями, наприклад – але тісно пов'язані і переплетені. Я не втомився від довгих і нудних розповіді про кожен проект. Для цього на офіційному YouTube-каналі є короткі відеоролики на офіційному YouTube-каналі The Human Brain Project (HBP, більше інформації можна знайти на офіційному сайті проекту). У цьому відео визначаються загальні цілі та завдання проекту:
На мій погляд, один з базових, фундаментальних і тому найважливіший субпроект є прямим вивченням структури нейронів, їх контактів і місця розташування – нейромережа – в мозку (Субпроект 1 – Моус Брайн субпроект), а також візуалізації таких мереж для подальшої побудови моделей і, по суті, здійснення цих знань вже в апаратних умовах, в розрахунках.
Починаємо з хвилею історії. Точна дата відкриття нервових клітин, нейронів, таких, можливо, не можна давати. Це тільки безпечно сказати, що до кінця 19 століття достатні знання функціонування нервової тканини накопичувалися так, що в 1906 р. Golgi і Ramon y Cajal поділилися Нобелівською премією в медицині за свою роботу на структурі нервової системи і класифікації нервових клітин.
За останні сто років ми розуміли основні принципи функціонування нервової тканини, навчилися навіть на порівняно примітивному рівні, щоб заважати процеси, що відбуваються в ній (наприклад, анестезію або операції, що впливають на нервову тканину безпосередньо), але дотепер велика пляма залишалася, як мозок зберігає інформацію, як вона спеціально оброблена нейронами, трансформується.
Як дізнатися, куди і куди йдуть сигнали в нервовій тканині?
Змітаючи деталі того, що нервові клітини різні, що вони підключені до різних способів нервової тканини, виконують різні функції, ми можемо, однак, відрізняють загальні функції в структурі нейронів:
Модель нейрон. Джерело
Основою передачі сигналів є осьові, які, як електричні кабелі, розтягуються від одного нейрона до іншого і необхідні для передачі імпульсів. Теоретично вони можуть досягати величезної довжини – до метра. Оксони кріпляться на інший нейрон, використовуючи сніпс, в той час як в кінці кожного аксона є синоптичні бульбашки з нейротрансмітерами:
Передача імпульсів між двома нейронами. Джерело
Отже, ми першими і передусім зацікавлені в двох речах: сам аксон і де аксон прикріплює в наступну нервову клітинку, яка може бути визначена сиптичними вушками з нейротрансмітаторами. Для цього ми маємо лише два методи, доступні та великі: флуоресцентна оптична мікроскопія та електронна мікроскопія.
Передбачаючи логічне питання, чому я не вважаю МРТ (магнітно-резонансне зображення) і функціонального МРТ, ці методи використовуються більше для локалізації областей, відповідальних за певні функції (зцілення, бачення і т.д.), але не бачити окремих нейронів і їх мереж.
Далі я розповім про перший субпроект, який вивчає мозок мишки, але не людський мозок (необхідно, етичні причини мають претенденцію з причини). Другий субпроект присвячений використанню МРТ. Таким чином, вивчення мозку бідних мишей дає нам інформацію про тонку структуру мозку, які вчені потім намагаються зв'язатися з даними МРТ.
Але повернутися назад. У першому випадку – в разі люмінесцентної мікроскопії – необхідно пофарбувати нейрони з флуоресцентним барвником, а потім взяти картину проби при захопленні барвника з підсвічуванням певної довжини хвилі (часто УФ), але дозвіл цього методу дозволить побачити самі осі, наприклад, або тільки дендрити, так як вони будуть пофарбовані в різні кольори, але в цілому нам буде дуже складно визначити, як взаємодії нейронів.
Деякі приклади:
Новий люмінесцентний мікроскоп 3D. Деталі російською мовою
Відео англійською мовою про те, як працює мікроскопія флуоресценції в разі виникнення нервових клітин можна переглянути тут. На жаль, немає вбудованого гравця, тому натисніть на посилання, будь ласка...
Ще одним методом є електрон мікроскопія, роздільна здатність якого є блоки нанометрів у разі сканування та дробу нанометра у випадку напівпрозорого. Однак ці методи підходять як для поверхневого аналізу (сканування) або тонких зразків - до 100 нм (прозорий). Здавалося б, нехай ми?
Проблема складається з того, що всі тканини (брунь або інші) переважно складаються з трьох основних елементів: вуглецю, азоту і кисню, тобто легких елементів. На відміну від легких елементів – і рівномірно змішаних і рівномірно розподілених – не дасть навіть найпросунутий електронний мікроскоп у світі. Не можна фізично.
На протязі тривалого часу вчені знайшли вихід з цього пастка. Яку інформацію ми хочемо витягти? По суті, нам необхідно знати розташування клітинних мембран всередині тканини, а потім ми можемо «відновити» розташування самих клітин і їх «вставка». І знайшов розчин у використанні важкої металевої солі до «фарбових» мембран. Наприклад, виявилося, що з'єднання osmium – OsO4 – дуже добре відкладений на клітинні мембрани або, як це називається, концентрований.
По суті, невелика річ для візуалізації. Довгий час використовується тільки напівпрозора електронна мікроскопія, яка вимагає дуже тонких зразків, які спонукали інженерів розвивати надкротім, здатний відрізати шар до 30-50 нм від тканини. Мікроскопія напівпрозорих дозволило багато поколінь вчених вивчити розділи мозку, дав нам знання про внутрішню структуру клітин, використовувався для вивчення біо-носимості імплантатів, але сьогодні цей метод був замінений на інший, скануючий мікроскопію електрона з реконструкцією 3D.
ТЕМ-мікрофотозйомка нейропілля - накопичення процесів нервових клітин (приріст 11,000 разів). Джерело
3D мікроскопія: нові можливості
Добрий день В одному або іншому, в цьому хаосі нервових клітин (і це дійсно хаос, тому що є багато допоміжних клітин уздовж самих нейронів у тканині) ми змогли виявити точки з'єднання індивідуальних нейронів, але з точки зору побудови нейромереж, це фактично без використання інформації, так як немає можливості бачити розташування клітин в об'ємному просторі, тобто інформація про об'ємну організацію прихована від нас. І ось я б сказав, що унікальний метод — тривимірна мікроскопія, яка стала можливою тільки в останні кілька років, завдяки розвитку обчислювальної потужності комп’ютерів і обробки електроніки мікроскопів.
У центрі електронної мікроскопії EPFL успішно застосовано підхід, що поєднує повний цикл підготовки зразків тканин мозку та його аналіз з подальшою реконструкцією 3D. Цей відео презентує основні етапи експерименту:
Результати фіксації зразків та заміни води за допомогою спеціальної смоли (1:30 у відео): a. Нарізка мозкового мозку мишки товщиною 80 мкм, b-c. шиї та фіксації площі інтересу 3x3 мм, d-f. Остаточна обробка мікротомом.
Принцип сканування електронної мікроскопії з зосередженим іонним променем FIB / SEM (4:00 у відео): a-b. Схематичне розташування променевого променя FIB відрізання частини тканини і електронного променя дає зображення, c-d. Мікрофотозйомка оброблюваної тканини.
а. Візуалізація з FIB/SEM (5:55 в відео) і b-c. Кінцевий результат (8:00 на відео)
Головною перевагою методу є «зрізка» всього 5 нм шар мозкової тканини з зосередженим іонним променем (FIB) і подальше сканування для отримання зображення з електронним променем (SEM). Таким чином, у нас є можливість точно вивчити структуру нервової тканини, але важливіше, тепер процес обробки таких стеків (до 2000 зображень) може здійснюватися практично автоматично без участі людини, завдяки використанню спеціальних алгоритмів аналізу зображень, які дають точність реконструкції часто не нижче, ніж у професійних мікроскопологів.
Група Marco Cantoni використовується програмне забезпечення для вільного програмного забезпечення, спеціально розроблене для даного типу аналізу, ilastik. Проект має своє представництво на github, тому якщо один з поважних читачів Хабра буде зацікавлений брати участь у проекті або запропонувати свої нові ідеї, я не думаю, що розробники відмовляться.
В кінці ми маємо 3D-карту кубоподібного шматка мозку з краю всього декількох десятків мікронів (таких, не достатньо, але Москва не була побудована відразу, але не знезаду і відмовитися. Ми отримали практично те, що ми бажали – ми не зробили 3D візуалізації всієї нейромережі, звичайно, але індивідуальні нейрони, і один крок ближче до основної мети. Це, за словами авторів грандіозного проекту, дозволить краще зрозуміти принципи організації та експлуатації мозку.
Мікрофотозйомка SEM та 3D реконструкція синоптичного контакту та всіх мембран всередині нейрона мозку мишки. Ваги А - 1 мікрон, вставка в зображення А - 5 мікрон.
ПС: Шукаю зворотну і розуміння мікроскопії лепа зробила протягом останнього десятиліття, я хотів би відзначити, що автоматизовані системи, включаючи ті, розроблені в цьому проекті, дозволять значно збільшити кількість наборів даних в 5-7 років, а потім це буде справа трохи більше, ніж створення 3D карти нашого мозку або «пристрій, за допомогою якого ми думаємо, що ми думаємо» (Ambrose Bierce).
При підготовці використані матеріали відкритих джерел: 1, 2, 3
Джерело: habrahabr.ru/post/211997/
На Хабрагабра на початку 2013 року після оголошення запуску європейського мега-проекту для вивчення головного мозку людини з бюджетом понад мільярдів євро, розрахованого на 10 років, опублікована відповідна замітка. Наприкінці минулого року проект був офіційно запущений, а перші кошти були виділені, але до теперішнього часу не одне слово було написано про те, що наукова основа для майбутнього титанічної роботи, порівняно з значенням і масштабом до декодування геном людини і мандатної місії до Марса.
У кінці повідомлення ви також можете звернутися до особи безпосередньо, що працює над проектом Blue Brain, відповіді на які будуть опубліковані в окремому місці.
Для передпокою
Так, весь мега-проект ділиться на 12 субпроектів, які, здається, реалізуються окремо – як змішувати високо-розвантажні обчислення з біологіями, наприклад – але тісно пов'язані і переплетені. Я не втомився від довгих і нудних розповіді про кожен проект. Для цього на офіційному YouTube-каналі є короткі відеоролики на офіційному YouTube-каналі The Human Brain Project (HBP, більше інформації можна знайти на офіційному сайті проекту). У цьому відео визначаються загальні цілі та завдання проекту:
На мій погляд, один з базових, фундаментальних і тому найважливіший субпроект є прямим вивченням структури нейронів, їх контактів і місця розташування – нейромережа – в мозку (Субпроект 1 – Моус Брайн субпроект), а також візуалізації таких мереж для подальшої побудови моделей і, по суті, здійснення цих знань вже в апаратних умовах, в розрахунках.
Починаємо з хвилею історії. Точна дата відкриття нервових клітин, нейронів, таких, можливо, не можна давати. Це тільки безпечно сказати, що до кінця 19 століття достатні знання функціонування нервової тканини накопичувалися так, що в 1906 р. Golgi і Ramon y Cajal поділилися Нобелівською премією в медицині за свою роботу на структурі нервової системи і класифікації нервових клітин.
За останні сто років ми розуміли основні принципи функціонування нервової тканини, навчилися навіть на порівняно примітивному рівні, щоб заважати процеси, що відбуваються в ній (наприклад, анестезію або операції, що впливають на нервову тканину безпосередньо), але дотепер велика пляма залишалася, як мозок зберігає інформацію, як вона спеціально оброблена нейронами, трансформується.
Як дізнатися, куди і куди йдуть сигнали в нервовій тканині?
Змітаючи деталі того, що нервові клітини різні, що вони підключені до різних способів нервової тканини, виконують різні функції, ми можемо, однак, відрізняють загальні функції в структурі нейронів:
Модель нейрон. Джерело
Основою передачі сигналів є осьові, які, як електричні кабелі, розтягуються від одного нейрона до іншого і необхідні для передачі імпульсів. Теоретично вони можуть досягати величезної довжини – до метра. Оксони кріпляться на інший нейрон, використовуючи сніпс, в той час як в кінці кожного аксона є синоптичні бульбашки з нейротрансмітерами:
Передача імпульсів між двома нейронами. Джерело
Отже, ми першими і передусім зацікавлені в двох речах: сам аксон і де аксон прикріплює в наступну нервову клітинку, яка може бути визначена сиптичними вушками з нейротрансмітаторами. Для цього ми маємо лише два методи, доступні та великі: флуоресцентна оптична мікроскопія та електронна мікроскопія.
Передбачаючи логічне питання, чому я не вважаю МРТ (магнітно-резонансне зображення) і функціонального МРТ, ці методи використовуються більше для локалізації областей, відповідальних за певні функції (зцілення, бачення і т.д.), але не бачити окремих нейронів і їх мереж.
Далі я розповім про перший субпроект, який вивчає мозок мишки, але не людський мозок (необхідно, етичні причини мають претенденцію з причини). Другий субпроект присвячений використанню МРТ. Таким чином, вивчення мозку бідних мишей дає нам інформацію про тонку структуру мозку, які вчені потім намагаються зв'язатися з даними МРТ.
Але повернутися назад. У першому випадку – в разі люмінесцентної мікроскопії – необхідно пофарбувати нейрони з флуоресцентним барвником, а потім взяти картину проби при захопленні барвника з підсвічуванням певної довжини хвилі (часто УФ), але дозвіл цього методу дозволить побачити самі осі, наприклад, або тільки дендрити, так як вони будуть пофарбовані в різні кольори, але в цілому нам буде дуже складно визначити, як взаємодії нейронів.
Деякі приклади:
Новий люмінесцентний мікроскоп 3D. Деталі російською мовою
Відео англійською мовою про те, як працює мікроскопія флуоресценції в разі виникнення нервових клітин можна переглянути тут. На жаль, немає вбудованого гравця, тому натисніть на посилання, будь ласка...
Ще одним методом є електрон мікроскопія, роздільна здатність якого є блоки нанометрів у разі сканування та дробу нанометра у випадку напівпрозорого. Однак ці методи підходять як для поверхневого аналізу (сканування) або тонких зразків - до 100 нм (прозорий). Здавалося б, нехай ми?
Проблема складається з того, що всі тканини (брунь або інші) переважно складаються з трьох основних елементів: вуглецю, азоту і кисню, тобто легких елементів. На відміну від легких елементів – і рівномірно змішаних і рівномірно розподілених – не дасть навіть найпросунутий електронний мікроскоп у світі. Не можна фізично.
На протязі тривалого часу вчені знайшли вихід з цього пастка. Яку інформацію ми хочемо витягти? По суті, нам необхідно знати розташування клітинних мембран всередині тканини, а потім ми можемо «відновити» розташування самих клітин і їх «вставка». І знайшов розчин у використанні важкої металевої солі до «фарбових» мембран. Наприклад, виявилося, що з'єднання osmium – OsO4 – дуже добре відкладений на клітинні мембрани або, як це називається, концентрований.
По суті, невелика річ для візуалізації. Довгий час використовується тільки напівпрозора електронна мікроскопія, яка вимагає дуже тонких зразків, які спонукали інженерів розвивати надкротім, здатний відрізати шар до 30-50 нм від тканини. Мікроскопія напівпрозорих дозволило багато поколінь вчених вивчити розділи мозку, дав нам знання про внутрішню структуру клітин, використовувався для вивчення біо-носимості імплантатів, але сьогодні цей метод був замінений на інший, скануючий мікроскопію електрона з реконструкцією 3D.
ТЕМ-мікрофотозйомка нейропілля - накопичення процесів нервових клітин (приріст 11,000 разів). Джерело
3D мікроскопія: нові можливості
Добрий день В одному або іншому, в цьому хаосі нервових клітин (і це дійсно хаос, тому що є багато допоміжних клітин уздовж самих нейронів у тканині) ми змогли виявити точки з'єднання індивідуальних нейронів, але з точки зору побудови нейромереж, це фактично без використання інформації, так як немає можливості бачити розташування клітин в об'ємному просторі, тобто інформація про об'ємну організацію прихована від нас. І ось я б сказав, що унікальний метод — тривимірна мікроскопія, яка стала можливою тільки в останні кілька років, завдяки розвитку обчислювальної потужності комп’ютерів і обробки електроніки мікроскопів.
У центрі електронної мікроскопії EPFL успішно застосовано підхід, що поєднує повний цикл підготовки зразків тканин мозку та його аналіз з подальшою реконструкцією 3D. Цей відео презентує основні етапи експерименту:
Результати фіксації зразків та заміни води за допомогою спеціальної смоли (1:30 у відео): a. Нарізка мозкового мозку мишки товщиною 80 мкм, b-c. шиї та фіксації площі інтересу 3x3 мм, d-f. Остаточна обробка мікротомом.
Принцип сканування електронної мікроскопії з зосередженим іонним променем FIB / SEM (4:00 у відео): a-b. Схематичне розташування променевого променя FIB відрізання частини тканини і електронного променя дає зображення, c-d. Мікрофотозйомка оброблюваної тканини.
а. Візуалізація з FIB/SEM (5:55 в відео) і b-c. Кінцевий результат (8:00 на відео)
Головною перевагою методу є «зрізка» всього 5 нм шар мозкової тканини з зосередженим іонним променем (FIB) і подальше сканування для отримання зображення з електронним променем (SEM). Таким чином, у нас є можливість точно вивчити структуру нервової тканини, але важливіше, тепер процес обробки таких стеків (до 2000 зображень) може здійснюватися практично автоматично без участі людини, завдяки використанню спеціальних алгоритмів аналізу зображень, які дають точність реконструкції часто не нижче, ніж у професійних мікроскопологів.
Група Marco Cantoni використовується програмне забезпечення для вільного програмного забезпечення, спеціально розроблене для даного типу аналізу, ilastik. Проект має своє представництво на github, тому якщо один з поважних читачів Хабра буде зацікавлений брати участь у проекті або запропонувати свої нові ідеї, я не думаю, що розробники відмовляться.
В кінці ми маємо 3D-карту кубоподібного шматка мозку з краю всього декількох десятків мікронів (таких, не достатньо, але Москва не була побудована відразу, але не знезаду і відмовитися. Ми отримали практично те, що ми бажали – ми не зробили 3D візуалізації всієї нейромережі, звичайно, але індивідуальні нейрони, і один крок ближче до основної мети. Це, за словами авторів грандіозного проекту, дозволить краще зрозуміти принципи організації та експлуатації мозку.
Мікрофотозйомка SEM та 3D реконструкція синоптичного контакту та всіх мембран всередині нейрона мозку мишки. Ваги А - 1 мікрон, вставка в зображення А - 5 мікрон.
ПС: Шукаю зворотну і розуміння мікроскопії лепа зробила протягом останнього десятиліття, я хотів би відзначити, що автоматизовані системи, включаючи ті, розроблені в цьому проекті, дозволять значно збільшити кількість наборів даних в 5-7 років, а потім це буде справа трохи більше, ніж створення 3D карти нашого мозку або «пристрій, за допомогою якого ми думаємо, що ми думаємо» (Ambrose Bierce).
При підготовці використані матеріали відкритих джерел: 1, 2, 3
Джерело: habrahabr.ru/post/211997/
